Дизель қозғалтқыштарының негізгі көрсеткіштеріне аралас отынның әсерін экологиялық бағалау

ХҒТАР 73.31.41

А.А. Каражанов

^1*

, Ж.Р. Алипбаев

, У.Ш. Кокаев

, А.Б. Забиева

, С.О. Торебекова

1 Л.Н. Гумилев атындағы Евразия ұлттық университеті, Астана, Қазақстан

2Жоғары көлік және коммуникация колледжі, Астана, Қазақстан E-mail: *[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Дизель қозғалтқыштарының негізгі көрсеткіштеріне аралас отынның әсерін

Дизель қозғалтқыштарының негізгі көрсеткіштеріне аралас отынның әсерін экологиялық бағалау

%, ДМЭ (φ) х¹ 10 10 20 30

θ х² 3 7 10 13

Р^ф х³ 2,5 12 14,5 17

Кесте 2. Факторлардың реті

№ х1 х2 х3

1 0 0 0

2 1 0 0

3 -1 0 0

4 0 1 0

5 1 1 0

6 -1 1 0

7 0 -1 0

8 1 -1 0

9 -1 -1 0

10 0 0 1

11 1 0 1

12 -1 0 1

13 0 1 1

14 1 1 1

Теориялық жоспарлаудың математикалық аппараты статикалық сынау әдісі, ең аз квадраттар әдісі, регрессиялық талдау сияқты статистикалық талдау әдістеріне сүйенеді [1].

Теориялық жолмен алынған деректер келесі әдіс бойынша өңделеді. Барлық бақыланатын мәндердің орташа мәні [2]:

r р

r q

j r

q j y



= =

=

¹ ¹



(2) мұндағы, r – өлшеу деңгейінің реті (r =1,2….p);

j – әр деңгейдегі өлшеудің реті (j =1,2….qr);

Топтық орташаның мәні [1]:

j q

j r

q

j y



=

=¹



(3) Факторлық дисперсия [2]:

1 ) (

−



D p

r r F



(4) Жоспардың барлық нүктелеріндегі дисперсиялардың біркелкілігі Кохрен өлшемі

бойынша жүргізіледі [2]:



=

i i i r

D G D

max (5)

А.А. Каражанов, Ж.Р. Алипбаев, У.Ш. Кокаев, А.Б. Забиева, С.О. Торебекова мұндағы,

D

_i_max- үлкен сызық дисперсиясы.

Теориялық жоспарлау мәселесінің математикалық тұжырымы келесідей.

Кіріс жиынтығының параметрлері x= (x1, x2….xn) мен шығыс айнымалыларымен y = (у1, у2….ур) сипатталатын объект бар[3].

Нысанға бұзушы факторлар z = (z¹, z²….z^q) әсер етеді. Уақыттың әртүрлі сәттерінде объект кіріс және шығыс айнымалыларын байланыстыратын тәуелділіктермен анықталатын әртүрлі күйлерде болады. Біз қарастырып отырған регрессиялық модель векторлық теңдеу түрінде жазылады [1].

Біздің жағдайда жоғарыда құрылған жоспарды ескере отырып, регрессия теңдеуі келесі түрде өрнектеледі [2]:

2 3 33 2 2 22 2 1 11 3 2 23 3 3 2 2 3 1 13 2 1 12 1 1

A x A x x A x x A x A x A x x A x A x A x

A

R

= + + + + + + + + +

₍₆₎

Регрессия коэффициенттері ең аз квадраттар әдісімен анықталды. Регрессия коэффициенттерінің маңыздылығын бағалау регрессия коэффициенттері үшін сенімділік аралығын құру арқылы жүзеге асырылады.Егер шарт орындалса, регрессия коэффициенттері маңызды болып саналады [4]:

N t D A

A



=

^y , (7)

мұндағы,

t

- Стьюдент кретерийі

Нәтежелерді математикалық модельмен ұсынудың жеткіліктілігін бағалау Фишер критерийі арқылы жүзеге асырылады [2]:

y aд

D

F = D

(8)

мұндағы,

D

_aд - жеткіліктілік дисперсиясы;

D

у- репродуктивтілік дисперсиясы.

Осылайша, статистикалық маңызды емес коэффициенттерді алып тастағаннан кейін, құрастырылған модельдер келесі түрге ие болады [2]:

( )

2 2 2

1 3

2 1

С 594 . 009 31 , 546 х 20 , 192 х 38 , 974 х 6 , 538 х х 16 , 059 х 7 , 852 х

Т

_ОГ

= − + − + + −

(9)

Алынған модельден шығатын газдардың температура деңгейі қоспадағы диметил эфирінің құрамына байланысты болатындығын көруге болады [1].

Есептеулер нәтежесі мен регрессиялық талдау нәтежесінде алынған модельден шығатын газдардың температура деңгейі қоспадағы диметил спиртінің құрамына тікелей байланысты екенін көрсетті. Дизель отынына қосатын диметил спиртінің үлесі артқан сайын температура режимі төмендей береді. Азот оксидінің шығарындыларының деңгейі мен түзілу механизмінің термиялық сиипатта болуы қолданылған газдардың цикл температурасының деңгейін көрсетеді және өз кезегінде циклдің температурасына байланысты екенін ескеретін болсақ, регрессиялық талдау пайдаланылған газдардың температурасымен бірдей деңгейде деп болжам жасауға болады. Статистикалық елеусіз регрессия коэффициенттерін алып тастағаннан кейін модель келесі түрде өрнектеледі [2]:

Дизель қозғалтқыштарының негізгі көрсеткіштеріне аралас отынның әсерін экологиялық бағалау

2 2 2

2 2

1 3

21 . 441 29 . 113 5 . 067 28 . 836 12 . 452

061 . 19 35 . 304 )

( ppm x x x x x x x

NO

= − + − + − +

(10)

Жоғарыда көрсетілген модель NOх шығарындыларының деңгейі көп жағдайда аралас отынның құрамына және циклдің температурасына тікелей байланысты. Бұл ретте азот оксидтерінің шығарындыларына (регрессиялық іріктеу коэффициенттеріне сәйкес) отындағы диметил эфирінің жоғары үлесі θ қарағанда Рϕ тиімді ықпал етеді [5].

Сурет 1. Иінді біліктің бұрылу бұрышына және қысымға байланысты NO^х шығарындылары 1 суретте көрсетілген беттік деректерден диметил эфирінің үлесінің артуымен сәйкесінше температураның төмендейтіндігін байқаймыз. Штаттық реттеулерде азот оксидтерінің шығарындылары: NO^x = (φ = 0,1; θ = 11,5⁰ иббб; Р^ϕ= 15 МПа) = 300 ррm; NO^x = (φ = 0; θ = 11,5⁰ иббб;

Р^ϕ= 15 МПа) = 266 ррm; Бұдан шығатын штаттық реттеулер кезінде азот шығарындыларының деңгейін 8 – 21 % - 5 – ға дейін төмендетуге болады[6].

Пайдаланылған газдардың түтіні келесідей өрнектеледі [2]:

11) ( 314

. 0 245 . 1 643 . 0

793 . 0 3

, 0 62

. 3 586

. 1 12 . 4 908 . 1 816 . 13 526 . 26 ) (

3 2 1 2

3 2

2 1 3

2 3

1 2

1 3

2 1

x x x x

x

x x

x бHSU x

Т

− +

+

+ +

− +

−

=

Сурет 2. Бүркудің озу бұрышына және қысымға қоданылған газдардың түтінділігінің тәуелділігі Диметил спиртін дизель жанармайына қосу газдардың түтіндеу деңгейін күрт төмендететінін регрессиялық тәуелділік пен алынған беттерге анализ жасау арқылы байқауға болады. Дизель отыны бойынша штаттық реттеулер кезінде пайдаланылған газдардың түтіндігі:

А.А. Каражанов, Ж.Р. Алипбаев, У.Ш. Кокаев, А.Б. Забиева, С.О. Торебекова отын 30% ДМЭ – Т =14,13

бHSU

, 10% ДМЭ = Т =37,5

бHSU

, таза дизель отыны кезінде Т = 40

бHSU

тең [1]. Осылайша, отын аппаратурасын штаттық реттеу кезінде, аралас отынды пайдалану кезінде, дизель отынындағы қозғалтқыштың жұмысымен салыстырғанда пайдаланылған газдардың түтіндену көрсеткішінің шамасын 64,4% - ға (30% ДМЭ кезінде) және 6,5% - ға (10% ДМЭ кезінде) төмендеуін алуға болады [1].

Пайдаланылған газдардан шығатын СН шығарындылары келесі түрде сипатталады[2]:

12) ( 813

. 17 307

. 12 097

. 5

517 . 8 417

. 10 216

. 3 145 . 32 893

. 53 219 . 23 384 . 162 ) (

2 3 2

2 2

3 2 3

1 2

1 3

2 1

x x

x

x x x

x x

ppm CH

+ +

+

− +

−

=

Сурет 3. Көміртек шығарындыларының бүркудің озу бұрышына және қысымға тәуелділігі Пайдаланылған газдары бар СО шығарындылары мынадай өрнектермен сипатталады [2]:

(13) 33

. 11 749

. 115 758

. 17

1 . 9 936

. 4 67

. 41 158

. 55 002

. 223 899

. 33 67 . 1197 )

(

2 3 2

2 2

3 2 3

1 2

1 3

2 1

x x

x

x x x

x x

ppm CО

+ +

+

− +

−

=

Сурет 4. Көміртек оксидінің шығарындыларының бүркудің озу бұрышына және қысымға тәуелділігі

Зерттеулер мен талдау нәтежелері аралас отынды қолданғанда пайдаланылған газдардың құрамындағы көміртек және көміртек оксидтерінің шығарындыларының деңгейі дизель отынымен жұмыс кезінде бөлінетін мөлшермен салыстырғанға қарағанда біршама жоғары екенін көрсетті. Сонымен штаттық реттеулерде СН шығарындылары мыналарды құрайды: СН = (φ = 0,1; θ =11,5 и.б.б.б. ; Рϕ = 15МПа) = 160 ррm, СН = (φ = 0,3; θ =11,5 и.б.б.б. ; Рϕ = 15МПа) = 199 ррm. СН деңгейінің көтерілуі тиісінше 18% және 26,7% - ға күтіледі [1].

Штаттық реттеулер кезінде СО бойынша ұқсас көркіштер: СО = (φ = 0,1; θ =11,5 и.б.б.б. ; Р^ϕ= 15МПа) = 1118 ррm, СО = (φ = 0,3; θ =11,5 и.б.б.б. ; Р^ϕ= 15МПа) = 1012 ррm. Осылайша 10 % ДМЭ қоспасы кезінде СО 1,5 % артады да, ал 30 % ДМЭ кезінде 2 % - ға төмендейді [1].

Дизель қозғалтқыштарының негізгі көрсеткіштеріне аралас отынның әсерін экологиялық бағалау

Экономикалық тұрғыдан қарастыратын болсақ диметил эфирін дизель отынына қосу тиімді. Бұл көрініс құрамында 30% - ға дейін ДМЭ бар қоспалар кезінде байқалады, ал 30% - дан асатын болса дизельдің қуаттылығы мен экономикалық көрсеткіштері күрт төмендейді [1].

Нәтежелер мен талқылаулар

Сызықтық регрессиялық модельдеу мен тәуелділіктер дизельді қозғалтқыштың тиімді көрсеткіштерінің өзгеруіне, диметил эфирінің үлесіне, иінді біліктің бұрылу бұрышы мен қысымына байланысты экологиялық сипаттмаларын және отын аппаратурасының параметрлерін бағалауға мүмкіндік береді.Осындай нәтежеге жету үшін отыз пайыз диметил эфирін қолданған жеткілікті. Диметил эфирін қолданудың тағы бір артықшылығы, пайдаланылған газдардан шығатын түтіндердің мөлшерін төмендетеді.

Сурет 5. Аралас отынның экологиялық көрсеткіштерге әсері

Сурет 6. Дизель отыны мен аралас отынның салыстырмалы көрсеткіштері

Қорытынды

А.А. Каражанов, Ж.Р. Алипбаев, У.Ш. Кокаев, А.Б. Забиева, С.О. Торебекова параметрлерін бағалауға мүмкіндік береді. Диметил эфирін дизель отынына енгізу экологиялық көрсеткіштерді жақсартады. Диметил эфирінің отыз пайызын дизель отынына қосқан кезде түтінділік үш есеге, ал азот оксидтері он сегіз есеге кемиді. Сонымен қатар жоғарыда аталған диметил эфирінің үлесін қосу қозғалтқыш құрылысын өзгертуді қажет етпейді, ал бұл өз кезегінде тиімді көрсеткіштердің өзгермейтіндігін көрсетеді. Қолданылған тәсіл дизельдің экологиялық жағдайын жақсартады, қайта жабдықтауды қажет етпейді, шикізат базасын ұлғайтуға мүмкіндік береді.

Әдебиеттер тізімі

1. Торебекова С.О. Баламалы энергия көздерін пайдалану арқылы дизельді қозғалтқыштың экологиялық көрсеткіштерін жақсарту. Магистрлік диссертация/ Нұр-Сұлтан., ЕҰУ, 2021.

2. Kapus P., Cartellieri W. ULEV Potential of a DI/TCI Diesel Passenger Car Engine Operated on Dimethyl Ether // SAE Paper 952754. 1995.11 p.

3. Акобия Ш.Е. Перснективы снижения вредных выбросов нри применении диметилэфира / Ш.Е.Акобия, Т.Н.Смирнова // Грузовик и автобус, троллейбус, трамвай. – 1999. – №2. – С.27–29.

4. Батурин С.А. Физические основы и математическое моделирование процессов сажевыделения и теплового выделения: автореф.докт.дис/ С.А.Батурин – Л.: ЛИИ, 1982. – 35С.

5. Ишханян А.Э. Улучшение экологических показателей дизелей путем использования в качестве топлива диметилового эфира: дисс. кан. техн. наук./А.Э.Ишханян -М., МАДИ (ТУ), 2004.

6. Математическое моделирование и исследование процессов в ДВС: Учебное пособие / под ред.

В.А.Вагнера, П.А.Иващенко, В.Ю.Русакова.- Барнаул.: Изд-во АлтГТУ, 1997. – 203С.

7. Zheng, Q. One-pot post-treatment of NaY zeolites with different SiO² /Al²O³ ratios: Its effect on pore structure and acidity of the resulted USY zeolite. Petroleum Science Bulletin. 2022. 7(4), с. 604–612 8. Asabin, V.V., Roslyakov, A.D., Lazarev, E.A., (...), Erzamaev, M.P., Petukhov, S.A. The use of ethanol in diesel engines. 2022. AIP Conference Proceedings 2762,020003.

9. Zhang, Y., Lou, D., Tan, P., Hu, Z., Fang, L. Effects of waste-cooking-oil biodiesel blends on diesel vehicle emissions and their reducing characteristics with exhaust after-treatment system. 2022. Journal of Cleaner Production 381,135190.

10. Tarigonda, H., Gangula, V.R., Ratnaraju, P., Doddipalli, R.R., Krupakaran, R.L. Effect of TBC, Turbocharger and EGR on the Performance of Diesel Engine Using Biodiesel. 2022. SAE Technical Papers.

А.А. Каражанов¹, Ж.Р. Алипбаев¹, У.Ш. Кокаев¹, А.Б. Забиева¹, С.О. Торебекова²

1Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан

2Высший колледж транспорта и коммуникаций, Астана, Казахстан

Экологическая оценка влияния смесового топлива на основные показатели дизельных двигателей

Аннотация. В статье проведен всесторонний анализ существующих видов альтернативных топлив, в том числе углубленных исследований химико- физических свойств. По итогам исследования был выбран диметиловый эфир. При смешивании определенного количества диметилового спирта с дизельным топливом и использовании образующейся смеси для оценки работы двигателя использовался метод анализа линейной регрессии. Нахождение значений коэффициентов линейной регрессии проводилось с помощью пакета прикладных программ (MATLAB) для решения задач технического расчета. Исследования показали, что добавление одной трети диметилового эфира в дизельное топливо является наиболее эффективной добавкой для снижения показателей остаточных газов, выбрасываемых дизельными двигателями.

Снижение показателей остаточных газов приводит к улучшению экологических показателей.

Дизель қозғалтқыштарының негізгі көрсеткіштеріне аралас отынның әсерін экологиялық бағалау

Ключевые слова: метод статистических испытаний, факторная дисперсия, дымность, оксид азота.

A. Karazhanov¹, Zh. Alipbayev¹, U. Kokaev¹, A. Zabieva¹, S.Torebekova²

1L.N. Gumilyov Eurasian National University, Astana, Kazakhstan

2Graduate College of Transport and Communications, Astana, Kazakhstan

Еnvironmental assessment of the impact of mixed fuel on the main indicators of diesel engines

Abstract. The article provides a comprehensive analysis of existing types of alternative fuels, including in-depth studies of chemical and physical properties. According to the results of the study, dimethyl ether was selected. When mixing a certain amount of dimethyl alcohol with diesel fuel and using the resulting mixture to evaluate engine performance, a linear regression analysis method was used. Finding the values of linear regression coefficients was carried out using an application software package (MATLAB) to solve technical calculation problems. Studies have shown that the addition of one third of dimethyl ether to diesel fuel is the most effective additive for reducing the residual gases emitted by diesel engines. A decrease in the indicators of residual gases leads to an improvement in environmental indicators.

Keywords: statistical test method, factor dispersion, smokiness, nitric oxide.

References

1. S.Torebekova. Improving the environmental performance of a diesel engine using alternative energy sources. Master's dissertation / Nur-Sultan., ЕNU, 2021.

2. Kapus P., Cartellieri W. ULEV Potential of a DI/TCI Diesel Passenger Car Engine Operated on Dimethyl Ether // SAE Paper 952754. 1995.11 p.

3. Akobia Sh.E. Prospects for reducing harmful emissions by using dimethylether / Sh.E.Akobia, T.N.Smirnova // Truck and bus, trolleybus, tram. – 1999. – №2. 27–29 p.

4. Baturin S.A. Physical foundations and mathematical modeling of the processes of soot emission and thermal emission: abstract of doctoral dissertation / S.A. Baturin – L.: LII, 1982. – 35 p.

5. Ishkhanyan A.E. Improving the environmental performance of diesel engines by using dimethyl ether as a fuel: diss. can. tech. Sciences. / A.E. Ishkhanyan – M., MADI (TU), 2004.

6. Matematicheskoye modelirovaniye i issledovaniye protsessov v DVS: Uchebnoye posobiye / pod red.

V.A.Vagnera, P.A.Ivashchenko, V.YU.Rusakova. – Barnaul.: Izd-vo AltGTU, 1997. – 203 p.

7. Zheng, Q. One-pot post-treatment of NaY zeolites with different SiO2 /Al2O3 ratios: Its effect on pore structure and acidity of the resulted USY zeolite. Petroleum Science Bulletin. 2022. 7(4), с. 604–612 8. Asabin, V.V., Roslyakov, A.D., Lazarev, E.A., (...), Erzamaev, M.P., Petukhov, S.A. The use of ethanol in diesel engines. 2022. AIP Conference Proceedings 2762,020003.

Авторлар туралы мәлімет:

А.А. Каражанов – техника ғылымдарының кандидаты, Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев көш., 2, Астана, Қазақстан.

А.А. Каражанов, Ж.Р. Алипбаев, У.Ш. Кокаев, А.Б. Забиева, С.О. Торебекова Ж.Р. Алипбаев – техника ғылымдарының кандидаты, Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев көш., 2, Астана, Қазақстан.

У.Ш. Кокаев – техника ғылымдарының кандидаты, Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев көш., 2, Астана, Қазақстан.

А.Б. Забиева – техника ғылымдарының кандидаты, Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті, Сәтпаев көш., 2, Астана, Қазақстан.

С.О. Торебекова – техника ғылымдарының магистрі, Жоғары көлік және коммуникация колледжі, Сәтпаев көш., 2, Астана, Қазақстан.

A. Karazhanov – сandidate of technical sciences, L.N. Gumilyov Eurasian National University, 2 Satpayev str., Astana, Kazakhstan.

Zh. Alipbayev – сandidate of technical sciences, L.N. Gumilyov Eurasian National University, 2 Satpayev str., Astana, Kazakhstan.

U. Kokaev – сandidate of technical sciences, L.N. Gumilyov Eurasian National University, 2 Satpayev str., Astana, Kazakhstan.

A. Zabieva – сandidate of technical sciences, L.N. Gumilyov Eurasian National University, 2 Satpayev str., Astana, Kazakhstan.

S. Torebekova – master of technical sciences, Higher College of Transport and Communications, 2 Satpayev str., Astana, Kazakhstan.

IRSTI 67.09.33

I. Taubaldy

^1*

, D. Akhmetov

, A. Rakisheva

1International Educational Corporation (campus Kazakh Leading Academy of Architecture and Civil Engineering), Almaty, Kazakhstan

2Satbayev University, Almaty, Kazakhstan,

3D. Serikbayev East Kazakhstan Technical University, Ust-Kamenogorsk, Kazakhstan E-mail: *[email protected]

A comprehensive approach to concrete strength testing: combining destructive,

Dalam dokumen ISSN (Print) 2616-7263 ISSN (Online) 2663-1261 (Halaman 89-98)